功率因數(shù)校正技術(shù)的新型控制策略綜述

1 引言

PFC電路在提高電力電子裝置網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)、降低電網(wǎng)諧波污染方面起著很重要的作用。隨著PFC技術(shù)應(yīng)用的普及，PFC電路拓?fù)淙諠u成熟。關(guān)于PFC控制系統(tǒng)與控制策略的研究目前仍然十分活躍，這從側(cè)面反映出該領(lǐng)域還有許多問題尚待解決[1]。PFC技術(shù)的每一種控制策略都有其優(yōu)缺點(diǎn)，本節(jié)簡(jiǎn)單總結(jié)了PFC技術(shù)的經(jīng)典控制策略，對(duì)比分析了幾種新型控制策略的優(yōu)缺點(diǎn)，指出了PFC控制技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

2.PFC整流器的經(jīng)典控制策略

電力電子電路的六種基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（Buck、Boost、Buck-boost、Flyback、Sepic、Cuk）原則上都可以構(gòu)成PFC，但因Boost電路的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際中應(yīng)用最多。PFC的控制策略按照輸入電感電流是否連續(xù)，PFC分為不連續(xù)導(dǎo)通模式（DCM）和連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）。DCM的控制可以采用恒頻、變頻、等面積等多種方式。CCM模式根據(jù)是否直接選取瞬態(tài)電感電流作為反饋和被控制量，有直接電流控制和間接電流控制之分。直接電流控制有峰值電流控制（PCMC）、滯環(huán)電流控制（HCC）、平均電流控制（ACMC）、預(yù)測(cè)瞬態(tài)電流控（PICC）、線性峰值電流控制（LPCM）、非線性載波控制（NLC）等方式。電流的控制也可以通過(guò)控制整流橋輸入端電壓的方式間接實(shí)現(xiàn)，稱為間接電流控制或電壓控制[2]。

2.2.1 DCM控制模式

DCM控制又稱電壓跟蹤方法，它是PFC中簡(jiǎn)單而實(shí)用的一種控制方式， 應(yīng)用較為廣泛。DCM控制模式的特點(diǎn)：(1)、輸入電流自動(dòng)跟蹤電壓并保持較小的電流畸變率；(2)、功率管實(shí)現(xiàn)零電流開通（ZCS）且不承受二極管的反向恢復(fù)電流；(3)、輸入輸出電流紋波較大，對(duì)濾波電路要求較高；(4)、峰值電流遠(yuǎn)高于平均電流，器件承受較大的應(yīng)力；(5)、單相PFC功率一般小于200W，三相PFC功率一般小于10kW。

2.2.2 CCM控制模式

CCM相對(duì)DCM其優(yōu)點(diǎn)為：(1)、輸入和輸出電流紋波小、THD和EMI小、濾波容易；(2)、RMS電流小、器件導(dǎo)通損耗小；(3)、適用于大功率應(yīng)用場(chǎng)合。CCM模式下有直接電流控制與間接電流控制兩種方式。直接電流控制的優(yōu)點(diǎn)是電流瞬態(tài)特性好，自身具有過(guò)流保護(hù)能力，但需要檢測(cè)瞬態(tài)電流，控制電路復(fù)雜。間接電流控制的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、開關(guān)機(jī)理清晰。

3.PFC整流器的新型控制策略

3.1 單周控制技術(shù)

單周期控制技術(shù)(One-Cycle Control)[3]是九十年代初由美國(guó)加州大學(xué)的Keyue M Smedley提出的，它是一種不需要乘法器的新穎控制方法，將這種控制方法應(yīng)用于功率因數(shù)校正是近年來(lái)一種新的嘗試。單周控制是一種非線性控制技術(shù)，它同時(shí)具有調(diào)制和控制的雙重性，通過(guò)復(fù)位開關(guān)、積分器、觸發(fā)電路、比較器達(dá)到跟蹤指令信號(hào)的目的。它的基本思想是在每一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)使受控量的平均值恰好等于或者正比于控制參考量，單周期控制術(shù)在控制回路中不需要誤差綜合，它能在一個(gè)周期內(nèi)自動(dòng)消除穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)誤差，前一周期的誤差不會(huì)帶到下一周期，同時(shí)單周期控制技術(shù)還具有優(yōu)化系統(tǒng)響應(yīng)、開關(guān)頻率恒定、減小畸變、抑制電源干擾和易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。這種控制技術(shù)可廣泛應(yīng)用于非線性系統(tǒng)的場(chǎng)合，現(xiàn)已在DC-DC變換器、開關(guān)功率放大器、有源電力濾波器、靜止無(wú)功發(fā)生器以及單相、三相功率因數(shù)校正等方面得到大量應(yīng)用。

將單周控制的基本原理應(yīng)用于各種電流控制上，就可以得到電荷控制(Charge Control)，準(zhǔn)電荷控制(Quasi-Charge Control)，非線性載波控制(Nonlinear carrier Control) 和輸入電流整形技術(shù)(Input Current Control)等功率因數(shù)校正的新型控制技術(shù)。   

從形式上看電荷控制是電流型的單周期控制，其控制思想是控制開關(guān)的電流量，使之在一個(gè)周期內(nèi)達(dá)到期望值。

準(zhǔn)電荷控制也是一種電流型的單周控制。準(zhǔn)電荷控制是在電荷控制的基礎(chǔ)上,用RC網(wǎng)絡(luò)代替電荷控制中電路中的C網(wǎng)絡(luò)。

非線性載波控制的控制電流可為開關(guān)電流、二極管電流或電感電流，從電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上講非線性載波控制技術(shù)是在電荷控制的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)外加的非線性補(bǔ)償，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在非線性載波控制中當(dāng)電路工作在電流連續(xù)狀態(tài)下，系統(tǒng)就是穩(wěn)定的，而電路工作在斷續(xù)狀態(tài)下，系統(tǒng)是小信號(hào)穩(wěn)定的。另外非線性載波控制工作在斷續(xù)條件下會(huì)產(chǎn)生輸入電流的畸變。

輸入電流整形技術(shù)檢測(cè)二極管上的電流，從形式上說(shuō)是一種類似于非線性載波控制的控制方案，從控制的實(shí)質(zhì)上講它是平均電流控制的一種反用。

3.2 空間矢量調(diào)制

空間矢量調(diào)制(Space Vector Modulation)[4]是80年代中后期發(fā)展起來(lái)的，最初的應(yīng)用是使電機(jī)獲得圓形的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，稱為“磁鏈跟蹤”。目前，空間矢量調(diào)制的概念遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了電機(jī)調(diào)速的范疇，成為與SPWM相并行的一種PWM調(diào)制技術(shù)?？臻g矢量調(diào)制也是矩陣式變換器的最佳調(diào)制方式，三相功率因數(shù)校正電路的數(shù)字化實(shí)現(xiàn)也可用此方式。在模擬控制中，用abc三相對(duì)稱坐標(biāo)系，控制量是分段正弦的；在數(shù)字化實(shí)現(xiàn)時(shí)，用同步旋轉(zhuǎn)的d-q正交坐標(biāo)系，此時(shí)，控制量在穩(wěn)態(tài)時(shí)為常量，容易保證好的穩(wěn)態(tài)特性。模擬控制時(shí)，控制變量是時(shí)變的，在電壓、電流過(guò)零時(shí)，可能出現(xiàn)不連續(xù)，并且由于模擬控制器的工頻增益有限，電流畸變通常比數(shù)字控制大。數(shù)字控制的帶寬主要受運(yùn)算速度和采樣延遲的限制。隨著微控制器的性能價(jià)格比不斷提高，基于SVM的數(shù)字化實(shí)現(xiàn)會(huì)越來(lái)越具吸引力?？臻g矢量在理論分析上也有優(yōu)點(diǎn)，用其描述三相電路的狀態(tài)軌跡，非常直觀。

3.3 無(wú)差拍控制

無(wú)差拍控制(Deadbeat control)[5]是一種在電流滯環(huán)比較控制技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的全數(shù)字化的控制技術(shù)。它的基本思想是將輸出參數(shù)等間隔的劃分為若干個(gè)取樣周期。根據(jù)電路在每一取樣周期的起始值，預(yù)測(cè)在關(guān)于取樣周期對(duì)稱的方波脈沖作用下某電路變量在取樣周

期末尾時(shí)的值。適當(dāng)控制方波脈沖的極性與寬度，就能使輸出波形與要求的參數(shù)波形重合。不斷調(diào)整每一取樣周期內(nèi)方波脈沖的極性與寬度，就能獲得波形失真小的輸出。

無(wú)差拍控制的最顯著的優(yōu)點(diǎn)就是數(shù)學(xué)推導(dǎo)嚴(yán)密、跟蹤無(wú)過(guò)沖、系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、易于計(jì)算機(jī)執(zhí)行等，缺點(diǎn)是它要求建立精確的數(shù)學(xué)模型，當(dāng)理想模型與實(shí)際對(duì)象有差異時(shí)，劇烈的控制動(dòng)作會(huì)引起輸出電壓的振蕩，不利于系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。隨著數(shù)字信號(hào)處理單片機(jī)(DSP)應(yīng)用的不斷普及，這是一種很有前途的控制方法

基于空間電壓矢量PWM的電流無(wú)差拍控制方法，開關(guān)頻率恒定，調(diào)節(jié)性能良好，代表了目前國(guó)際上PFC技術(shù)的先進(jìn)水平。

3.4 滑模變結(jié)構(gòu)控制

滑模變結(jié)構(gòu)控制[6]適應(yīng)了電力電子變換器的開關(guān)非線性特性，能夠根據(jù)變換器運(yùn)行狀態(tài)，有效的控制變換器工作狀態(tài)的切換，實(shí)現(xiàn)變換器的控制目標(biāo)，動(dòng)態(tài)性能好且魯棒性強(qiáng)，這樣，滑模變結(jié)構(gòu)控制就能很容易地應(yīng)用于整流器、逆變器等相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用研究，從而最有望成為電力電子變換器實(shí)用的控制技術(shù)。

變流器的時(shí)變參數(shù)問題是人們一直努力解決的問題。考慮到開關(guān)變換器的開關(guān)切換動(dòng)作與變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)點(diǎn)沿切換面高頻切換有動(dòng)作上的對(duì)應(yīng)關(guān)系。因而可以考慮用滑模變結(jié)構(gòu)這種方法來(lái)控制變流器。

在整流器的功率因數(shù)校正系統(tǒng)中，輸入電流的穩(wěn)態(tài)特性和輸出電壓暫態(tài)特性之間存在著矛盾的關(guān)系，應(yīng)用滑模變結(jié)構(gòu)控制方法，可以在輸入電流的穩(wěn)態(tài)特性和輸出電壓暫態(tài)特性之間進(jìn)行協(xié)調(diào)，使輸入電流滿足有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的前題下，盡可能地提高輸出電壓動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

3.5 基于Lyapunov非線性大信號(hào)方法控制

傳統(tǒng)控制方法的數(shù)學(xué)建模一般是基于系統(tǒng)的小信號(hào)線性化處理，這種方法的缺點(diǎn)是對(duì)系統(tǒng)的大信號(hào)擾動(dòng)不能保證其穩(wěn)定性?；谶@種考慮，文獻(xiàn)[7]提出了用大信號(hào)方法直接分析這種非線性系統(tǒng)。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)對(duì)大信號(hào)擾動(dòng)具有很強(qiáng)的魯棒性。 

3.6 dqo變換控制

dqo變換控制[8]是根據(jù)瞬時(shí)無(wú)功功率理論，將電源電流分解到dqo坐標(biāo)系下，得到兩個(gè)直流量Id 、Iq。指令電流Id*、Iq*由電壓控制環(huán)給出，由于參考值和反饋值在穩(wěn)態(tài)時(shí)都是直流信號(hào)，所以可以做到無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差跟蹤，這種方法的控制精度高，但控制中涉及的計(jì)算復(fù)雜，隨著高性能的單片機(jī)及專用的矢量轉(zhuǎn)換芯片的出現(xiàn)，其實(shí)現(xiàn)也是可行的。

4 控制策略的總結(jié)與展望

DCM控制盡管簡(jiǎn)單，但由于器件承受較大的開關(guān)應(yīng)力。限制了其功率應(yīng)用范圍。CCM控制中，直接電流控制應(yīng)是發(fā)展的主流，它適用于對(duì)系統(tǒng)性能指標(biāo)和快速性要求較高的大功率場(chǎng)合。CCM模式下的電流控制需要乘法器和對(duì)輸入電壓、輸入電流進(jìn)行檢測(cè)，控制電路復(fù)雜且成本高，乘法器的非線性失真也增加了輸入電流的諧波含量。因此，不帶乘法器的簡(jiǎn)化控制成為PFC研究的一個(gè)熱點(diǎn)。

尋求更加簡(jiǎn)化的控制策略、降低PFC成本、減小THD和EMI、降低器件開關(guān)應(yīng)力、提高整機(jī)效率仍然是今后PFC控制策略的發(fā)展趨勢(shì)。中大功率的電力電子設(shè)備在電網(wǎng)中占有很大比重，因此三相PFC應(yīng)是PFC研究的重心。隨著三相PFC整機(jī)成本的提高和開關(guān)頻率的降低，依托高速的數(shù)字處理器，數(shù)字控制成為發(fā)展的主流。由于各種控制策略都有優(yōu)缺點(diǎn)，將各種控制策略合理搭配，取長(zhǎng)補(bǔ)短，可以收到理想的控制效果，這也是控制技術(shù)發(fā)展的一個(gè)方向。

與現(xiàn)代控制理論相關(guān)的控制方法如狀態(tài)反饋控制(極點(diǎn)配置)、二次型最優(yōu)控制、非線性狀態(tài)反饋、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等，都可以用在PFC電路中。但這些方法還不成熟，處于積極的探索之中?；诖蠊β孰娮釉O(shè)備的要求，目前多電平變換器和各種簡(jiǎn)單拓?fù)涞拇?lián)、并聯(lián)等拓?fù)湎嗬^提出，對(duì)于這些電路的控制，除采用現(xiàn)有的控制策略外，還嘗試發(fā)展更有針對(duì)性的控制技術(shù)。